שני כדורים ורעיון – הניסויים היפים בתולדות המדע

הניסויים היפים בתולדות המדע, על פי משאל של כתב העת “Physics World”

ג'ורג' ג'ונסון, ניו יורק טיימס

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/2ballsidea.html

פורסם לראשונה ב-30/10/2002

בסוף המאה ה-,16 לפני הניסוי של גליליאו בפיזה, ידעו כולם שעצמים כבדים נופלים מהר יותר מעצמים קלים. הרי כך אמר אריסטו

בין שמדובר בביקוע חלקיקים תת-אטומיים במאיצי חלקיקים, בפענוח הגנום או בניתוח התנודות של כוכב רחוק, הניסויים השובים את תשומת הלב הציבורית עולים לעתים מיליוני דולרים ומייצרים כמויות עצומות של מידע, המעובדות במשך חודשים על ידי מחשבי על. כמה מקבוצות המחקר בעולם כבר תפחו לממדי חברות מסחריות קטנות.

אך בבסיסו מושתת המדע על מחשבתו הצלולה של אדם יחיד המתמודד עם תעלומה כלשהי. כאשר רוברט קריז, חבר במחלקה לפילוסופיה באוניברסיטה של מדינת ניו יורק והיסטוריון הבית של המעבדה הלאומית בברוקהייבן, ביקש באחרונה מפיסיקאים לבחור את הניסוי היפה בכל הזמנים, התברר שעשרת הניסויים הזוכים היו ברובם הישגים של מדענים יחידים, שבהם היו מעורבים לכל היותר כמה עוזרים.

המנסרה של ניוטון. הצבעים שמהם מורכב האור הלבן

רוב הניסויים – שדירוגם פורסם בחודש שעבר בכתב העת “- “Physics World נערכו על גבי שולחנות כתיבה פשוטים, ואף אחד מהם לא הצריך עוצמה חישובית רבה יותר משיכלו לספק סרגל חישוב או מחשבון.

המשותף לניסויים הללו הוא שגלומה בהם אותה תכונה חמקמקה המכונה “יופי” בפי המדענים. זהו יופי במובנו הקלאסי: הפשטות הלוגית של מכשיר הניסוי, וכן הפשטות הלוגית של הניתוח, מזכירות בניקיונן את קווי המתאר של מבנה יווני. הבלבול והאי-בהירות מוסטים לרגע הצדה, ומשהו חדש על כוחות הטבע מתגלה בכל צלילותו.

הרשימה ב”עולם הפיסיקה” דורגה לפי פופולריות, ובמקום הראשון זכה ניסוי שאושש את תורת הקוונטים בעולם הפיסיקלי.המדע הוא מפעל של מידע מצטבר – זהו חלק מיופיו. להלן רשימת הניסויים הזוכים, בסדר כרונולוגי ובתוספת הסברים: מדידת ההיקף של כדור הארץ בידי ארטוסתנס (דירוג: 7). בשעת צהריים ביום הארוך ביותר בשנה, בעיר המצרית הנקראת כיום אסואן, השמש תלויה במרכז השמים: חפצים אינם מטילים צל, וקרני השמש מאירות בקו ישר לתוך באר מים. ארטוסתנס, הספרן בספריית אלכסנדריה במאה השלישית לפני הספירה, למד את העובדה הזאת מקריאה, והבין כי יש בידיו המידע שהוא זקוק לו כדי להעריך את היקפו של כדור הארץ. באותו יום ובאותה שעה הוא מדד את הצללים באלכסנדריה, וגילה שקרני השמש שם פוגעות בכדור הארץ בהטיה מסוימת, הסוטה מהאנך המושלם בכשבע מעלות.

השאר היה גיאומטריה טהורה. בהנחה שכדור הארץ עגול, אם שתי הערים נמצאות במרחק שבע מעלות, מהווה מרחק זה שבעה חלקים מתוך 360 מעלות של המעגל השלם – כלומר, בערך אחד חלקי חמישים. לפי זמן הנסיעה בין שתי הערים העריך ארטוסתנס שהמרחק ביניהן הוא כ-5,000 סטאדיה, ומכאן שהיקפו של כדור הארץ גדול פי – 50 כלומר, כ-250 אלף סטאדיה. החוקרים חלוקים בשאלת אורכו של איצטדיון יווני, כך שלא ניתן להעריך מה היתה מידת דיוקו של ארטוסתנס. אך לפי אחד החישובים, הוא טעה רק ב-%5.

הניסוי של גליליאו עם עצמים נופלים (דירוג: 2). בסוף המאה ה-16 ידעו כולם שעצמים כבדים נופלים מהר יותר מעצמים קלים. אחרי ככלות הכל, כך אמר אריסטו. העובדה שמלומד מיוון העתיקה עדיין נתפש כבר-סמכא העידה עד כמה הידרדר המדע בימי הביניים.

גליליאו גליליי, שהחזיק בקתדרה למתמטיקה באוניברסיטת פיזה, היה חצוף דיו להטיל ספק בסברה הרווחת. הסיפור נהפך לחלק מהפולקלור המדעי: גליליאו הפיל ממגדל פיזה שני עצמים שמשקלם שונה, והראה שהם נוחתים על הארץ באותו זמן. קריאת התיגר שלו על אריסטו עלתה לו אולי במקום עבודתו, אך הוא הוכיח את חשיבותה של העמדה הגורסת כי הטבע – ולא סמכות אנושית, חשובה ככל שתהיה – הוא הפוסק עליון בענייני מדע.

ניסוייו של גליליאו עם כדורים מתגלגלים במישורים משופעים (דירוג: 8). גליליאו המשיך לשכלל את רעיונותיו על עצמים בתנועה. הוא לקח לוח באורך 12 אמות וברוחב מחצית האמה (בערך 5 מטרים על 20 סנטימטרים) וגילף בו חריץ לאורכו, ישר וחלק ככל האפשר. הוא הטה את הלוח וגילגל במורדו כדורים מפליז. את הזמן שנדרש להם כדי להגיע עד למטה הוא מדד באמצעות שעון מים – כלי גדול שהמים בו התרוקנו לתוך כוס זכוכית דרך צינורית דקה. בתום כל ניסיון שקל גליליאו את המים שזרמו החוצה – מדד לזמן שחלף – והשווה בין כמות המים לבין המרחק שעבר הכדור.

אריסטו היה מנבא שמהירותו של כדור מתגלגל תישאר קבועה: אם מכפילים את משך התנועה, נכפל גם המרחק שעובר הכדור. גליליאו הראה שהמרחק יחסי לריבוע משך התנועה: כשמכפילים את משך התנועה, עובר הכדור מרחק הגדול פי 4 מהמרחק המקורי. הסיבה לכך היא שכוח הכובד גורם לתאוצה מתמדת במהירות התנועה של הכדור.

הניסוי של ניוטון לפיצול אור השמש באמצעות מנסרה (דירוג: 4). אייזק ניוטון נולד בשנה שבה מת גליליאו. הוא סיים את טריניטי קולג' בקיימברידג' בשנת ,1665 ולאחר מכן הסתגר בביתו למשך כמה שנים בזמן שבחוץ השתולל הדבר. הוא לא התקשה למצוא לעצמו עיסוקים.
הסברה הרווחת באותם ימים היתה שאור לבן הוא האור בצורתו הטהורה ביותר (שוב, לפי אריסטו) וכי אור צבעוני הוא אור ששונה בצורה כלשהי. כדי לבחון השערה זו העביר ניוטון קרן של אור השמש דרך מנסרה, והראה שהקרן התפצלה לקשת צבעים שהופיעה על הקיר. הקשת בענן היתה כמובן תופעה מוכרת, אך עד אז היא נחשבה ללא יותר מקוריוז יפה. למעשה, הסיק ניוטון, הצבעים הללו – אדום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו, סגול וגוני הביניים – היו הצבעים הבסיסיים שמהם הורכב האור הלבן. מה שנראה על פניו פשוט, התברר בבדיקה מעמיקה יותר כיפהפה במורכבותו.

ניסוי מוט הפיתול של קוונדיש (דירוג: 6). תרומה נוספת של ניוטון היתה תיאוריית הגרוויטציה שלו, הטוענת שכוח המשיכה בין שני עצמים גדל באופן יחסי למסת העצמים, וקטן באופן יחסי לריבוע המרחק ביניהם. אך מהי עוצמתו האבסולוטית של כוח הכובד?

בסוף המאה ה-18 החליט המדען האנגלי הנרי קוונדיש לענות על שאלה זו. הוא לקח מוט עץ באורך שני מטרים וחיבר לקצותיו כדורי מתכת קטנים, כמו במשקולת. את המוט הוא תלה על חוט מתכת. שני כדורי עופרת במשקל 160 ק”ג כל אחד, שהונחו בסמוך, הפעילו די כוח גרוויטציוני כדי למשוך את שני הכדורים הקטנים, וגרמו למשקולת להסתובב ולחוט המתכת שעליו נתלתה להתפתל. כדי למדוד את מידת ההיסט של המוט הניח אותו קוונדיש בתוך ארגז. על קצות המוט הוא הניח שתי פיסות שנהב שבהם נחרצו קווים דקים. הוא הניח עוד שני כלים כאלה על שפת הארגז. קוונדיש בדק את מידת השינוי בכיוון שאליו פנו החריצים, ומכאן הסיק על מידת ההיסט של המוט.
כדי למנוע השפעה של זרמי אוויר הועמד המתקן (המכונה מאזני פיתול) בחדר סגור, ונצפה דרך שני טלסקופים שנקבעו בקירות החדר.
התוצאה היתה הערכה מרשימה בדיוקה של פרמטר המכונה הקבוע הגרוויטציוני, ומכאן הצליח קוונדיש לחשב את הצפיפות והמאסה של כדור הארץ. ארטוסתנס מדד את היקף הכדור; קוונדיש שקל אותו. משקלו של כדור הארץ, כך הסיק, הוא שישה טריליון טריליון קילוגרם, כלומר מספר קילוגרמים שביטויו המספרי הוא 6 שלאחריו 24 אפסים.

הניסויים היפים בתולדות המדע. כתבה שנייה: מהדגמת התכונות הגליות של האור ועד לגילוי גרעין האטום


המטוטלת של פוקו. כדור הארץ נע על צירו

ניסוי התאבכות האור של יאנג (דירוג: 5). ניוטון לא צדק בכל. בהסתמכו על טיעונים שונים הוא שיכנע את הקהילה המדעית שהאור מורכב מחלקיקים ולא מגלים. ב-,1803 תומאס יאנג, רופא ופיסיקאי אנגלי, העמיד את התיאוריה הזאת במבחן. הוא גזר חור בתריס של חלון, כיסה אותו בפיסת נייר עבה שחוררה בסיכה זעירה והשתמש בראי כדי להסיט את קרן האור הדקיקה שעברה דרך החור. לאחר מכן לקח “פיסת קלף, שרוחבה כחלק השלושים של אינץ'” (0.085 סנטימטר) והעמיד אותה בתוך קרן האור, כך שהיא חצתה את הקרן לשניים; מחצית מהאור עברה מימין לקלף והמחצית השנייה עברה משמאלו. התוצאה היתה צל שהורכב מרצועות בהירות וכהות לסירוגין – תופעה שניתן היה להסביר על ידי כך ששתי הקרניים התנהגו כגלים מצטלבים. אם הקרניים לא היו גלים, היה צריך להופיע בין שתיהן קטע מוצל לגמרי.

גרעין האטום. “מודל עוגת הצימוקים” הופרך

רצועות בהירות הופיעו כאשר שני שיאי גלים חפפו זה את זה וחיזקו זה את עוצמתו של זה; רצועות כהות הופיעו במקומות שבהם שיא חפף שפל, כך שהם ניטרלו זה את זה.

הניסוי שוחזר פעמים רבות במשך השנים תוך שימוש בקלף ושני חורים לפיצול קרן האור. ניסויי הסדק הכפול, כפי שכונו, היו לשיטה הסטנדרטית לקביעת תנועה גלית – עובדה שנעשתה חשובה במיוחד כעבור מאה שנה, עם ביסוס תורת הקוואנטים.

המטוטלת של פוקו (דירוג: 10). בשנה שעברה, כאשר מדענים העמידו מטוטלת מעל לקוטב הדרומי ובחנו את תנועתה, הם שיחזרו ניסוי מפורסם שבוצע לראשונה בפאריס ב-.1851 לכבל פלדה באורך 67 מטרים חיבר המדען הצרפתי ז'אן-ברנאר-ליאון פוקו כדור ברזל במשקל 28 ק”ג. הוא תלה את הכבל מכיפת הפנתיאון והפעיל את תנועת המטוטלת. כדי לבחון את אופי התנועה הוא חיבר חרט לתחתית הכדור ופיזר על הרצפה ערימה של חול רך.
הקהל צפה כמהופנט במטוטלת, שבאורח בלתי מוסבר נראתה כנעה במעגל, כך שהותירה עקבות שונים במעט עם כל תנודה. למעשה היתה זו רצפת הפנתיאון שנעה לאטה, וכך הראה פוקו, בצורה משכנעת יותר מאי פעם בעבר, שכדור הארץ נע על צירו. בפאריס השלימה המטוטלת, שנעה עם כיוון השעון, מעגל שלם כל 30 שעות; בחצי כדור הארץ הדרומי היא היתה חגה בכיוון ההפוך לכיוון השעון, ועל קו המשווה היא לא היתה חגה כלל וכלל. בקוטב הדרומי, כפי שאישרו המדענים בשנה שעברה, הזמן שנדרש להשלמת המעגל הוא24 שעות.

ניסוי טיפות השמן של מיליקן (דירוג: 3). מאז ימי קדם חקרו מדענים את החשמל – מהות בלתי מוחשית שיורדת מהשמים בדמות ברק, אך ניתן גם להפיקה בקלות על ידי העברת מברשת בשיער. ב- 1897(בניסוי שהיה יכול בקלות להיכלל ברשימה הנוכחית) הוכיח הפיסיקאי הבריטי ג'יי-ג'יי תומסון שהחשמל מורכב מחלקיקים בעלי מטען שלילי: אלקטרונים. בשנת 1909 הצליח המדען האמריקאי רוברט מיליקן למדוד את המטען של החלקיקים הללו.

בעזרת מתז בושם ריסס מיליקן טיפות שמן זעירות בתוך תא שקוף. בחלק העליון והתחתון של התא הורכבו לוחות מתכת שחוברו לסוללה, כך שאחד הלוחות היה בעל מטען חיובי והאחר בעל מטען שלילי. מכיוון שכל טיפה קלטה מטען זעיר של חשמל סטטי בעת המעבר באוויר, היה אפשר לשלוט במהירות נפילתה על ידי שינוי המתח החשמלי של הלוחות, שהפעילו על טיפת השמן כוח משיכה הדומה לכוחו של מגנט (כאשר הכוח החשמלי היה שווה לכוח הכובד היתה הטיפה נתלית באוויר בלא ניע – “ככוכב זורח על רקע שחור”).

מיליקן צפה בטיפה אחר טיפה, שינה את המתח החשמלי וציין את ההשפעה. אחרי חזרות רבות הוא הסיק שהמטען מקבל שורה של ערכים קבועים. הערך הנמוך ביותר לא היה אלא גודל המטען של אלקטרון בודד.

גילוי הגרעין על ידי ראתרפורד (דירוג: 9). כאשר ארנסט ראתרפורד ערך ניסויים בקרינה רדיואקטיווית באוניברסיטת מנ-צ'סטר ב-,1911 הסברה הרווחת היתה שאטומים הם גושים גדולים ורכרוכיים של מטען חשמלי חיובי, שבתוכם משובצים אלקטרונים – מה שכונה מודל “עוגת הצימוקים”. אבל כאשר הוא ועוזריו שיגרו חלקיקים בעלי מטען חיובי, שכונו חלקיקי אלפא, אל רדיד דקיק של זהב, הם הופתעו לגלות שאחוז קטנטן מתוכם נהדפו חזרה. היה זה כאילו קליעים שנורו על ג'לי ניתרו לאחור.
ראתרפורד הסיק שלמעשה האטומים אינם רכרוכיים כלל. רוב המאסה התרכז, כך נראה, בליבה קטנטנה, המכונה כעת הגרעין, כאשר סביבה חגו האלקטרונים. עם תיקונים שמקורם בתורת הקוונטים, דימוי זה של האטום נותר על כנו עד ימינו.

יישום ניסוי הסדק הכפול של יאנג בהתאבכות של אלקטרונים בודדים (דירוג: 1). לא ניוטון ואף לא יאנג לא צדקו לגמרי באשר לטבעו של האור. האור אינו עשוי מחלקיקים, אך גם אי אפשר לתארו כגל טהור. בחמש השנים הראשונות של המאה ה-20 הראו מאקס פלאנק ואחר כך אלברט איינשטיין כי האור נפלט ונספג ב”מנות” המכונות פוטונים. אך ניסויים אחרים המשיכו לאשר כי לאור תכונות גליות.

היתה זו תורת הקוואנטים, שפותחה במשך העשורים הבאים, שאיפשרה ליישב את הסתירה-לכאורה: פוטונים וחלקיקים תת-אטומיים אחרים – אלקטרונים, פרוטונים וכו' – מפגינים שתי תכונות המשלימות זו את זו; החלקיקים הללו הם למעשה, כפי שניסח זאת פיסיקאי אחד, “גלקיקים” (“”wavicles).
כדי להסביר את הרעיון, לעצמם ולאחרים, השתמשו פיסיקאים לעתים קרובות בניסוי מחשבתי, שבו שיחזרו את ניסוי הסדק הכפול של יאנג עם קרן אלקטרונים במקום קרן אור. בהתאם לחוקי מכניקת הקוואנטים, צפוי זרם החלקיקים להתפצל לשניים, והזרמים הקטנים יותר צפויים לחצות זה את זה, כך שמתקבל אותו הדפוס של רצועות כהות ובהירות שמוטל על ידי קרן אור. החלקיקים צפויים להתנהג כמו גלים.

לפי מאמר נלווה ב”עולם הפיסיקה”, מאת עורך כתב העת פיטר רוג'רס, רק ב-1961 הצליח מישהו (קלאוס יוהנסון מאוניברסיטת טובינגן) לבצע את הניסוי הלכה למעשה. בשלב זה איש כבר לא הופתע מהתוצאה, והדיווח, כרוב הדיווחים, נספג מבלי משים בתולדות המדע.

Physics Today

ידען העתיד שחלף – תודלות המדע
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~360125957~~~64&SiteName=hayadan